HEC-RAS和MIKE11在渠道水面線計算中的應用

譚 玲

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

由美國陸軍工程兵團(The U.S. Army Corps of Engineers)水文工程中心開發的河道水面線計算軟件HEC-RAS，以及由丹麥水資源及水環境研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)開發的MIKE11被廣泛用于模擬河流、渠道以及其他水體的一維水面線推算，均能獲得較好的計算成果，達到工程項目規劃設計的預期效果[2-4]。

尾水河段在水電站建設過程中易因情勢變化對尾水位產生影響，從而引起不良后果[5]。對于實際工程中長渠道推求最好的解決方法是通過水工模型試驗來論證渠道的水力特性，但由于時間、資金、設備等限制條件，難以對所有工程進行水工試驗模擬，可以通過采用一維水流數學模型進行快速有效的仿真模擬獲得渠道內沿程水面線變化趨勢和特征斷面水位。本文以國外某水電站尾水渠計算為例，分別利用HEC-RAS及MIKE11建立一維水流模型對尾水河段進行模擬，并將計算結果與傳統水力學計算結果進行對比分析。

1 研究方法

1.1 HEC-RAS計算原理

HEC-RAS軟件可支持模擬河道一維恒定流、非恒定流、泥沙輸移模型、水質模型等，并可對壩、堤、堰、橋梁、涵管等水工建筑物耦合進行水力模型模擬，在水利設計、潰壩評估、涉水橋梁等研究領域得到推廣和認可。HEC-RAS非常適用于河道穩定和非穩定一維水力計算，穩定流計算部分可以模擬緩流、急流、混流水面曲線，其功能強大，在國內外對天然或人造的河道水面線的計算已得到廣泛的應用[6]。 HEC-RAS恒定流水面線同傳統能量方程分段求和法計算都是基于一維能量方程，其計算公式如下：

(1)

其中，Z1，Z2均為主河道高程；Y1,Y2均為斷面水深；V1,V2均為平均流速；a1,a2均為流速系數；Ie為水頭損失；g為重力加速度。

1.2 MIKE11計算原理

MIKE系列軟件包括MIKE11，MIKE21，MIKEFLOOD等幾部分，MIKE11是應用于包括河口、河流、河網、灌溉系統、泥沙傳輸模擬、水質等一維問題研究的標準工具，是國內外通用的一款強大的河流水動力和環境模擬軟件，并在水利水電工程設計、防汛洪水預報、橋梁水力設計、排水和灌溉分析、洪泛區侵蝕分析、潰壩分析、河流和濕地生態及水質評價等領域得到推廣運用。MIKE11以求解圣維南(Saint-Venant)方程組為理論基礎[6]，其一維水動力模型控制方程為：

連續方程：

(2)

能量方程：

(3)

其中，x為距離坐標；t為時間坐標；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；R為水力半徑；C為謝才系數；q為單位河長旁側入流量；g為重力加速度。

2 案例應用

2.1 工程概況

非洲某水電站位于尼日利亞的卡杜納(Kaduna)河上，水電站以發電為主，正常蓄水位EL.230.00 m，死水位EL.223.00 m，具有多年調節性能，總裝機容量700 MW。該電站主要建筑物包括擋水建筑物(碾壓混凝土重力壩與粘土心墻堆石壩混合壩)、壩式進水口、壩后背管、壩后廠房及尾水渠、壩身溢洪道及消力塘、左岸開關場工程等。本文對該水電站廠房后尾水渠設計方案進行數值模擬計算，對HEC-RAS和MIKE11軟件計算結果及傳統水力學計算結果進行分析比較。

尾水渠設計旨在通過降低廠房出口尾水位，來獲得盡可能大的發電凈水頭，滿足電站的發電出力要求，擴大電站的經濟效益。設計方案如下：尾水渠全長約3.6 km，其里程樁號為T.0+000.00～T.3+621.00，初始斷面底板高程EL.130.00 m，底坡i=0.001，開挖渠道采用倒梯形斷面，邊坡系數m=0.25，渠道斷面底寬前段410 m為105 m，余下部分底寬縮減為65 m。尾水渠典型橫剖面示意圖見圖1。

2.2 計算參數

假定尾水渠內水流為穩流，且考慮回水影響。因此，在數值計算時，下游天然水位作為下游邊界條件，可使尾水渠水面線與下游天然水位自然連接。

邊界條件：根據實測尾水渠下游出口(樁號T.0+3 621.00)水位數據，分析其水位流量關系得到，當廠房一臺機運行時尾水渠上游邊界廠房出口處流量為220 m3/s時，下游邊界尾水渠出口實測水位為132.75 m；當廠房四臺機運行時尾水渠上游邊界廠房出口處的流量為880 m3/s時，下游邊界尾水渠出口實測水位為137.67 m。

開挖渠道糙率n：渠道糙率為0.035。

3 計算成果及分析

通過HEC-RAS和MIKE11軟件計算尾水渠在不同設計流量(Q=220 m3/s和Q=880 m3/s)工況下的水面線，以推求上游廠房出口處(樁號T.0+000.00)水位高程、斷面平均流速等水力要素。將兩款軟件計算結果與傳統能量方程分段求和法水面線計算成果分別進行比較，計算結果如表1,表2所示。

表1 Q=220 m3/s流量下水位計算成果對比

表2 Q=880 m3/s流量下水位計算成果對比

HEC-RAS和MIKE11計算水深同傳統能量方程分段求和法水深計算差值分別用Δ1和Δ2表示，斷面平均流速差值分別用Δ4和Δ5表示，HEC-RAS和MIKE11的水深差值用Δ3表示，斷面平均流速差值用Δ6表示。

由表1可知，在一臺機運行時(Q=220 m3/s)使用HEC-RAS軟件計算的水位成果與傳統能量方程計算的結果最大水位差值為0.04 m，使用MIKE11軟件計算的水位成果與傳統能量方程計算的結果最大水位差值為0.10 m，而MIKE11與HEC-RAS計算結果最大水位差值為0.06 m。

由表2可知，在四臺機運行時(Q=880 m3/s)使用HEC-RAS軟件計算的水位成果與傳統能量方程計算的結果最大水位差值為0.09 m，使用MIKE11軟件計算的水位成果與傳統能量方程計算的結果最大水位差值為0.13 m，而MIKE11與HEC-RAS計算結果最大水位差值為0.14 m。

由表1，表2可知，HEC-RAS和MIKE11軟件計算成果與傳統能量方程分段求和法計算水位成果總體相差不大，兩款軟件的計算成果是可信的。在給定相同設計流量、地形以及渠道糙率n值的條件下，MIKE11與HEC-RAS的水位計算結果十分接近，MIKE11相比HEC-RAS計算水位值偏小，但最大相差不超過0.14 m。本工程從設計安全角度出發，采用HEC-RAS計算結果作為設計參考值。

表3 Q=220 m3/s流量下斷面平均流速計算成果對比

表4 Q=880 m3/s流量下斷面平均流速計算成果對比

由表3,表4可知，HEC-RAS和MIKE11軟件計算成果與傳統能量方程分段求和法計算斷面平均流速成果總體相差不大，在一臺機運行時(Q=220 m3/s)和四臺機運行時(Q=880 m3/s)最大差值均超過0.03 m/s。

總體而言，HEC-RAS軟件和MIKE11軟件的水位、斷面平均流速成果與傳統能量方程分段求和法結果沿程變化趨勢基本一致，結果相差不大。

4 結語

1)在相同渠道斷面、水位流量關系等邊界條件下，給定相同的河道糙率n值，總體上HEC-RAS軟件和MIKE11軟件計算的水位成果和斷面流速成果與傳統能量方程分段求和法計算成果沿程變化趨勢基本一致，HEC-RAS計算的水位略高于MIKE11。

2)相比傳統能量方程分段求和法，運用HEC-RAS及MIKE11軟件計算渠道水面線可以有效提高設計工作者工作效率，計算成果較精確，值得在水利水電行業設計中加以推廣應用。在結果處理方面，也能更直觀的得到各斷面水力要素計算成果，應用軟件還可以輸出三維河道水面情況，使模擬結果更加直觀。

3)本文對國外某水電站下游尾水河段進行模擬計算，設計成果為選擇合理的尾水河道治理方案、電站出力影響分析及河道整治清淤工作提供了有效的參考依據。在實際工程設計中，建議同時采用以上兩種軟件計算，結合經濟效益考慮，取偏安全值作為設計依據。